Un equipo internacional de físicos consigue simular cuánticamente los efectos físicos de desorden en aislantes topológicos

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Representación artística de una transición inducida por desorden a la fase de aislamiento topológico de Anderson. Un río que fluye a lo largo de un camino recto es alterado por el desorden en el paisaje subyacente. Después de pasar por una transición (cascada), el río forma un circuito cerrado, una forma con una topología diferente a la del camino inicialmente recto. En la fase de aislamiento topológico de Anderson, la estructura de banda trivial de un material normal se transforma en una estructura de banda topológicamente no trivial debido al desorden en los acoplamientos entre los sitios de la red. El índice en la fase del aislante topológico de Anderson es distinto al del caso normal sin desórden. Imagen de Lachina Creative, copyright Bryce Gadway, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, en Estados Unidos, del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) y de la UPC utiliza experimentos con átomos ultra-fríos, atrapados e impulsados ​​por láseres, para crear un nuevo aislante topológico inducido por el desorden. Las propiedades inusuales de este material abren nuevas aplicaciones tecnológicas en computación cuántica, la próxima generación de dispositivos miniaturizados de almacenamiento o en espintrónica.

17/10/2018

Los aislantes topológicos (TI) presentan una física exótica y podrían dar lugar a nuevos descubrimientos sobre las leyes fundamentales de la naturaleza. Las propiedades inusuales de estos aislantes son una gran promesa para las aplicaciones tecnológicas, como por ejemplo la computación cuántica, la próxima generación de dispositivos miniaturizados de almacenamiento, así como la espintrónica. Científicos a nivel mundial están trabajando para comprender las propiedades microscópicas de estos materiales que conducen libremente la electricidad a lo largo de sus bordes, aunque su volumen es un aislante.

Un equipo internacional de físicos teóricos y experimentales ha logrado realizar la primera observación de un tipo específico de aislante topológico inducido por desorden.

El equipo de físicos experimentales de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, formado por el profesor Bryce Gadway y los estudiantes de posgrado Eric Meier y Alex An, han utilitzado una simulación cuántica atómica –una técnica experimental que emplea láseres controlados de manera muy precisa y átomos ultrafríos, aproximadamente mil millones de veces más fríos que la temperatura ambiente– para imitar las propiedades físicas de los cables electrónicos unidimensionales en presencia de desorden controlado con precisión. El sistema empieza con una topología trivial justo fuera del régimen de un aislante topológico; agregar desorden empuja el sistema a la fase topológica no trivial. Este tipo de aislante topológico inducido por desorden se denomina aislante topológico de Anderson, llamado así por el destacado físico teórico y ganador del Premio Nobel Philip Anderson. Sorprendentemente, mientras que normalmente el desorden inhibe el transporte y destruye los efectos topológicos, en este sistema ayuda a estabilizar una fase topológicamente no trivial.

La observación ha sido posible gracias a la estrecha colaboración con un equipo internacional de físicos teóricos de la Universidad de Illionois en Urbana-Champaing, en Estados Unidos, del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) y de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). El equipo de físicos ha dilucidado los procesos de física cuántica en juego y ha identificado la cantidad clave en que los físicos experimentales deberían fijarse y medir dentro del sistema.

El equipo del ICFO y la UPC está formado por los físicos teóricos Pietro Massignan, Alexandre Dauphin y Maria Maffei. Massignan, investigador Ramon y Cajal del Departamento de Física de la UPC y del ICFO, comenta: "Intuitivamente, uno pensaría que el desorden debería jugar contra la conductancia. Por ejemplo, correr es fácil en un campo abierto, pero si uno se mueve a través de un bosque cada vez más denso, a medida que uno se adentre en el bosque, le será más y más difícil avanzar. Aquí demostramos que un desorden correctamente adaptado pueden desencadenar algunas excitaciones conductoras peculiares, llamadas modos de borde topológicamente protegidos".

Meier es el autor principal del artículo. "Curiosamente", añade, "en un sistema topológico 3D o 2D, esos estados de borde se caracterizarían por electrones que fluyen libremente. Pero en un sistema 1D como el nuestro, los estados de borde simplemente se sientan allí, en cualquiera de los extremos del cable. En cualquier TI, los estados de borde tienen la dimensionalidad de su sistema menos uno. En nuestro aislante topológico de Anderson de 1D, los estados límite son entonces básicamente puntos en cada extremo del cable. Si bien la física de borde es en realidad un poco aburrida en este sistema, hay una dinámica muy rica en el interior  del sistema que está directamente relacionada con la misma topología; esto es lo que estudiamos".

La observación experimental del grupo valida el concepto de aislantes topológicos de Anderson que se elaboró teóricamente hace aproximadamente una década. La fase aislante de Anderson fue descubierta por J. Li et al. en 2009, y su origen fue explicado con más detalle por C. W. Groth, et al. ese mismo año. Cinco años después, un par de trabajos, uno de A. Altland et al. y uno de Taylor Hughes et al. que trabajaba con el grupo de Emil Prodan en la Universidad de Yeshiva, en Nueva York, predijo la aparición del aislante topológico de Anderson en cables unidimensionales, como se realizó en los nuevos experimentos del grupo de Bryce Gadway.

Gadway destaca: “Nuestra perspectiva en esta investigación se inspiró realmente en la predicción de Taylor Hughes en el año 2014 y su estudiante de postgrado Ian Mondragon. Taylor fue un colaborador clave. Asimismo, nuestros colegas en Barcelona hicieron una gran contribución al introducir el concepto de desplazamiento quiral medio, que permite medir la topología directamente en el interior del material".

"Trabajando con Taylor", añade Gadway, "nuestros colegas españoles descubrieron que el desplazamiento quiral medio es esencialmente equivalente al invariante topológico de tal sistema unidimensional, algo que se llama índice (winding number, en inglés). Esto fue fundamental para poder obtener los datos del sistema y relacionar lo que vimos en el experimento con la topología del sistema. Es un proyecto en el que contar con un grupo de teóricos fue de gran ayuda, tanto para realizar las mediciones correctas como para comprender lo que significaba todo esto".

"Es un resultado emocionante en términos de aplicaciones potenciales", afirma Gadway. “Esto sugiere que podríamos encontrar materiales reales que sean casi topológicos, y que podamos manipularlos a través del dopaje para dotarlos con estas propiedades topológicas. Aquí es donde la simulación cuántica ofrece una gran ventaja sobre los materiales reales: es bueno para ver efectos físicos que son muy sutiles. El desorden en nuestros cables es precisamente controlable, mientras que en los materiales reales, el desorden es tan desordenado como parece, es incontrolable".

"La configuración experimental de Gadway es el sueño de cualquier teórico", agrega Massignan. "Fue como jugar con LEGO: el modelo que imaginábamos se pudo construir paso a paso, en un laboratorio real. Todos los elementos del Hamiltoniano que teníamos en mente podían implementarse de manera muy cuidadosa y modificarse en tiempo real". El investigador del ICFO Alexandre Dauphin añade: "Esta plataforma también es muy prometedora para estudiar los efectos de la interacción y el desorden en los sistemas topológicos, que podría llevar a una nueva física completamente emocionante".

Los resultados de este estudio han sido publicados por la revista Science el 11 de octubre de 2018. Esta investigación ha recibido el apoyo de la National Science Foundation y de la Office of Naval Research, de Estados Unidos, así como por el Ministerio de Economía y Empresa español, la Generalitat de Catalunya, la Unión Europea y la Fundació Privada Cellex.

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